过河段深基坑双排SMW工法桩施工关键技术与应用

李 亮 张永兵 舒建刚

（中国水电建设集团十五工程局有限公司，陕西 西安 710000）

0 引言

在河道过河段施工双排SMW工法桩具有技术挑战性和施工复杂性，就深基坑中结构受力稳定性进行计算，获得有效参数结果，运用双排SMW工法桩进行有效施工，对基坑稳定性、基底隆起、型钢减摩等进行研究，得出关键施工技术，可为双排SMW工法桩在河道过河段的应用拓宽思路。

1 工程概况

1.1 工程简介

某道路工程位于广东省江门市江海区，路线全长1.7615 km，呈东西走向。电力管廊起点桩号K0+692，止点桩号K1+660，全长约1082m；采用钢筋混凝土结构，在K1+100.000处跨越马鬃沙河。电力管廊过河段基坑采用围堰+双排SMW工法桩（水泥搅拌桩+H型钢+压顶圈梁）及支撑梁的支护方式，开挖深度超过9.0m，计划施工时段为2021年4—9月，此时间段也是江门地区降雨集中期（占年降水量的85%），同时亦是台风及热带气旋频繁活动的时节，如何保障基坑支护结构的安全及止水效果是关键技术难题。

1.2 基坑支护设计

某工程项目过河段电力管廊基坑支护设计为SMW工法桩，采用Φ850mm三轴水泥土搅拌桩内插H型钢，隔一插一法进行施工，水泥搅拌桩桩间搭接250mm，桩顶设置压顶圈梁。基坑开挖深度范围为9.7m～10.7m且施工区域位于河道内，为减少基坑变形，SMW工法桩采用双排布置，型钢长度均为30m。

2 基坑支护结构受力分析

2.1 计算模型及荷载取值

理论计算过程中，考虑由H型钢独立承受作用在围护体系中的水土压力，水泥搅拌桩仅发挥止水功效[1]。采用某基坑计算软件创建施工模型进行计算，相关计算参数见表1。

表1 结构计算参数表

2.2 支护结构内力计算

2.2.1 软件计算结果输出

通过软件建立模型，代入现场实际数据参数，得到支护结构内力计算结果，以内力包络图形式进行输出分析，输出结果如图1所示。

由图1中的位移包络图可以看出，支护结构最大水平位移值为16 mm。现行规范中对水平位移没有明确的量值，但根据规范中的表述，可参考项目所在地附近地区的地方标准给出的经验数值。参考新修订的深圳市标准《深圳地区建筑深基坑支护技术规程》中的水平位移控制值，未超过其规定的“二级基坑0.006H与60mm的较小值（H为基坑深度，mm）[2]”这一标准。

图1 支护结构内力包络示意图

2.2.2 最大截面弯矩计算

根据弯矩包络图，初始弯矩值为M0=|-680.1|-|626.41|=55.69kN·m，最大截面弯矩设计值按下公式（1）进行计算。

式中：γF为作用基本组合的综合分项系数，取γF=1.25；γ0为支护结构重要性系数，取γ0=1.0；M0为初始弯矩值。

根据上述公式（1）及其释义，计算出最大截面弯矩设计值为M=69.61kN·m。

2.2.3 最大截面剪力计算

根据剪力包络图，初始剪力值为Q0=|-726.76|-|363.50|=403.26kN，最大截面剪力设计值按下公式（2）进行计算。

式中：γF为作用基本组合的综合分项系数，取γF=1.25；γ0为支护结构重要性系数，取γ0=1.0；Q0为初始剪力值（剪力包络图中，最大正负剪力绝对值之差）。根据上述公式（2）及其释义，计算出最大截面剪力设计值为Q=504.08kN。

3 型钢及基坑稳定性验算

3.1 型钢受力验算

根据《钢结构设计标准》中的规定，对型钢抗弯及抗剪进行强度复核验算[3]。

3.1.1 型钢抗弯强度验算

型钢抗弯强度验算采用公式（3）进行计算。

式中：σ为型钢抗弯强度计算值；[f]为钢材的抗弯强度设计值，取[f]=215 MPa；M为型钢最大截面弯矩设计值；[M]为型钢截面抵抗矩，如公式（4）所示。

式中：b为型钢计算截面宽度；h为型钢计算截面高度。

根据上述公式（3）、公式（4）及各自释义，计算出型钢抗弯强度为σ=70.67MPa，σ=70.67MPa<[f]=215MPa，符合要求。

3.1.2 型钢抗剪强度验算

型钢抗剪强度验算采用公式（5）进行计算。

式中：τ为型钢抗剪强度计算值；Q为型钢最大截面剪力设计值；S为剪应力计算处上部截面对中心轴的面积矩；I为毛截面惯性矩；tw为腹板厚度；[fv]为钢材的抗剪强度设计值，取[fv]=125MPa。

根据上述公式（5）及其释义，计算出型钢抗剪强度为τ=61.30MPa，τ=61.30MPa<[fv]=125MPa，符合要求。

3.2 基坑稳定性验算

参考《深基坑工程设计施工手册》（第二版），基坑稳定性验算包括整体稳定性、抗隆起和抗倾覆验算，三者计算均是以安全系数形式表征其结果[4]。

3.2.1 基坑整体稳定性验算

基坑整体稳定性分析一般采用简单的瑞典条分法，结构模型示意图如图2所示。验算公式见公式（6），要求计算结果大于1.3。

图2 圆弧滑动—瑞典条分法结构示意图

式中：Fs为基坑整体稳定性系数；Wi为土条i的自重；αi为土条i对应的滑弧角度；φi为土条i对应的内摩擦角；ci～为土条i对应的土体黏聚力；li为土条i对应的滑弧长度。

根据上述公式（6）及其释义，计算得到Fs=2.049，大于规范要求的1.3，符合要求。

3.2.2 基坑抗隆起验算

基坑抗隆起验算采用地基承载力模式的抗隆起稳定性分析，结构模型示意图如图3所示；验算公式见公式（7），要求计算结果大于1.8。

图3 地基承载力模式基坑抗隆起验算结构示意图

式中：Ks为基坑抗隆起系数；γ1为基坑底下土体重度；γ2为基坑外侧土体平均重度；c为土的黏聚力；q为地面超载；D为基础入土深度；H为基坑开挖深度；Nq、Nc为基底承载力系数，分别按下公式（8）、公式（9）进行计算。

式中：φ为土体内摩擦角；π为圆周率常数。根据上述公式（7）、公式（8）、公式（9）及其释义，计算得到Ks=1.934，大于规范要求的1.8，满足规范要求。

3.2.3 基坑抗倾覆验算

基坑抗倾覆验算一般假定支护结构绕其前趾转动，结构模型示意图如图4所示；验算公式见公式（10），要求计算结果大于1.3。

图4 基坑抗倾覆验算结构示意图

式中：Kq为基坑抗倾覆系数；KRK为支护结构稳定力矩标准值；KSK为支护结构倾覆力矩标准值；Fp为基坑内部支护结构前方被动侧压力；Zp为被动侧压力距底端前趾的距离；Fα为支护结构后方地面荷载所产生的侧压力；Zα为侧压力距底端前趾的距离；Fw为基坑外侧土压力；Zw为基坑外侧土压力距底端前趾的距离；Gk为支护结构自重标准值；B为支护结构计算宽度。

根据上述公式（10）及其释义，计算得到Kq=2.275，大于规范要求的1.3，满足规范要求。

4 施工关键技术

4.1 桩机拼装及调整

三轴搅拌机进场后，必须先进行场外试拼装，对三轴搅拌桩机的机械性能、桩架稳定性、钻杆垂直度进行验证检测，确保机械设备在施工过程中处于良好的状态。1）搅拌机按操作手册进行组装架设，桩机应平稳、平正。用经纬仪或线锤进行桩机垂直度检测，偏差≤1.0%。2）搅拌桩机垂直度调整可通过以下方式进行重复调整，直至垂直度偏差满足要求。首先调整桩机下部撑脚，使机身水平方向处于垂直状态；其次调整位于桩机两侧的控制杆，保证桩机竖向处于垂直状态；上述方向调整后，通过钻杆上的垂线与中心度盘的位置关系，重复进行调整，直至垂直度满足要求为止。

4.2 型钢加工

根据设计图纸，不同的桩号范围的桩长各不相同，为保证型钢的运转和使用，提高利用率，采用将型钢运至现场后根据桩长数据加工焊接使用的方案进行施工。1）H型钢选用HN700×300×13×24热轧型钢；焊接采用E43xx焊条；焊缝均为破口满焊；焊缝等级二级；焊接完成后的型钢应进行探伤检测，检测合格后方可使用。2）桩长较短的可预先焊接，使用时一次性插入；桩长较长的可以施工过程中分段焊接。3）分段焊接时要尽量减少焊接时间但要保证焊接质量，确保插拔时不断桩。4）翼缘板采用双面坡口焊，坡口角度为50°±5°，钝边2 mm，组对间隙2 mm；腹板采用单面坡口焊，坡口角度为45°±5°，钝边2 mm，组对间隙2 mm。5）焊接完成后须用打磨机将焊缝处打磨光滑以减少摩擦力。

4.3 型钢减摩

SMW工法桩的特点之一是H型钢在施工完成后可以全部拔出回收。因此，在型钢投入使用前，须进行减摩处理以利拔出。涂刷减摩剂是实现型钢减摩的主要手段，其操作要点如下。1）涂刷前须将H型钢表面的杂物与锈斑清除干净。2）减摩剂须充分加热至融化且搅拌均匀[5]。3）减摩剂加热时须由专人控制，时刻注意桶中的温度以防起火，同时现场须配备足够的黄沙及防火盖板。4）型钢表面应保持干燥，如有积水应先擦除，再进行加热烘干，然后才可以涂刷。5）涂刷完成后，如果有剥落现象，应当重新涂刷。

4.4 施工冷缝处理

施工过程中应当连续，尽量避免冷缝产生。如果出现冷缝就需要进行补强处理，可采用补充素水泥桩的处理方案。待原搅拌桩具有一定强度后才可以施打补桩，补桩与原搅拌桩相互搭接至少10 cm，以保证施工质量[6]。施工示意图如图5所示。

图5 施工冷缝处理（补搅素桩）示意图

5 结论

SMW工法桩在基坑支护施工中虽然已经有一定成熟的工艺，但是其受限于不同地质条件及施工环境，支护结构形式不可一概而论。通过计算结果可知，在“河道内”这一特殊的施工条件下，采用双排SMW工法桩作为支护结构形式，型钢受力、基坑稳定性均能满足规范安全要求；同时支护结构位移远小于规定值。实际应用效果良好，对类似工程项目具有借鉴意义，进一步推动SMW工法桩施工工艺的发展。